城市排水管网燃气聚集燃爆风险评估框架研究

端木维可，李润婉，朱丽榕，马文辉，侯龙飞，2*

（1.合肥泽众城市智能科技有限公司，安徽 合肥 230601；2.清华大学合肥公共安全研究院，安徽 合肥 230601）

随着城市现代化进程的不断加快，地下各种管网密布。因地下空间所限，作为城市市政管网工程中重要组成部分的燃气管道和排水管道，存在普遍的交叉和并行敷设间距过小的情况[1]。由于燃气的易燃易爆特性，燃气管线一旦发生泄漏，极易扩散至排水管线蔓延聚集燃爆[2]。此类事故在我国已发生多起，例如2013年10月-12月，温州燃气管道发生泄漏，泄漏气体扩散至2 m外排水管道聚集，沿排水管线扩散五六百米后聚集燃爆；2014年8月1日，台湾高雄穿越排水暗渠的丙烯管道因管道腐蚀发生泄漏，泄漏气体在排水管线聚集燃爆，影响范围约2~3 km2，事故导致340人死伤。

根据GB/T 23694—2013《风险管理 术语》[3]，风险被定义为不确定性对目标的影响。作为有效的安全态势评估手段，风险评估通过评估安全事件发生的可能性和后果，从而得出系统的安全风险大小，达到掌握系统安全态势的目的。为了有效识别城市地下纵横交错的燃气管道与排水管网耦合风险，本文以燃气泄漏导致排水管线燃爆事件链为基础，通过分析城市排水管网燃气聚集燃爆事件多个环节关键要素，提出了一种城市排水管网燃气聚集燃爆风险评估方法。相关结论有助于城市管理者对城市排水管网燃爆风险开展针对性的风险分析、评估、分级和管理，为控制相关风险提供支撑。

1 城市排水管网燃气聚集燃爆事件分析

通过对城市排水管网燃气聚集燃爆事故进行分析，城市排水管网燃气聚集燃爆事件可表述为埋地燃气管线因自身或者外部扰动等因素发生泄漏，泄漏气体通过土壤扩散。当排水管线位于气体扩散范围内，气体可通过排水管线连接处或破损处进入，并在自身浮力或排水管线内部水流作用下在排水管线蔓延，被烟头、火花等点火源点燃发生燃爆。燃爆过程中超压、破片、振动等作用于排水管线周边人员、建筑、地下管线等导致人员伤亡、财产损毁。流程如图1所示。

图1 城市排水管网燃气聚集燃爆事件发展过程

因此为构建城市排水管网燃气聚集燃爆风险评估方法，需考虑以下因素：

（1）燃气管线是否容易泄漏；（2）泄漏气体能否扩散到排水管线；（3）排水管线内可燃气体被点燃可能性；（4）排水管线的燃爆后果。

2 排水管网燃气聚集燃爆风险评估框架

风险具有概率和损失的双重性，风险R可用发生可能性P和损失程度C的函数来表示，即R=f（P，C）[4]。基于城市排水管网燃气聚集燃爆事件发展过程分析，其发生可能性需要考虑燃气管线泄漏可能性Pleak，泄漏气体聚集可能性Pgather，点火可能性Pfire，后果包括人员伤亡Cpeople，建筑物损毁Cbuilding，地下管线损毁Cpipe，社会影响Csocietalimpact等。

2.1 可能性评估

2.1.1 燃气管线泄漏可能性Pleak

埋地燃气管线泄漏主要因素包括腐蚀、第三方施工破坏、自然灾害影响、材料/焊接/装备原因等方面[5]，通过标准化或打分法使各项泄漏可能性得分在[1，10]范围内。

（1）腐蚀导致燃气管线泄漏可能性Pco

腐蚀导致燃气管线泄漏可能性因素主要考虑燃气管线防腐情况CO1，燃气管线服役年限CO2，地铁、高压线缆距离燃气管线距离CO3，周边燃气管线腐蚀泄漏频次CO4，基于指标状态进行定量/定性评估获取对应分值，即Pco=f（CO1，CO2，CO3，CO4）。需要注意的是，当燃气管线为PE管道时，一般不考虑腐蚀。

（2）第三方施工破坏燃气管线可能性分析Ptpc

第三方施工破坏燃气管线影响因素主要包括第三方施工点与燃气管线位置关系TPC1，第三方施工行为是否备案TPC2，燃气管线资料是否齐全TPC3，燃气管线埋深是否合理TPC4，基于指标状态进行定量/定性评估获取对应分值，即Ptpc=f（TPC1，TPC2，TPC3，TPC4）。

（3）自然灾害影响燃气管线泄漏可能性分析Pnd

自然灾害对燃气管线的破坏可被描述为稳定程度较差/防护措置较差的地质灾害发生并对其作用范围内燃气管线造成影响[6]。自然灾害影响燃气管线泄漏可能性指标主要包括燃气管线与自然灾害点影响范围位置关系ND1，自然灾害稳定性ND2，极端天气情况ND3，地质灾害治理措施ND4，基于指标状态进行定量/定性评估获取对应分值，即Pnd=f（ND1，ND2，ND3，ND4）。

（4）材料/焊接/装备原因导致燃气管线泄漏可能性Ppq

材料/焊接/装备等方面原因导致燃气管线泄漏可能性主要考虑管线施工质量，占压、车辆碾压等原因导致燃气管线失效，即考虑指标包括管线施工质量PQ1（根据浴盆曲线，对应问题将在管线服役初期出现，因此可用服役时间代替），管线占压情况PQ2，车辆碾压情况PQ3。基于指标状态进行定量/定性评估获取对应分值，即Ppq=f（PQ1，PQ2，PQ3）。

腐蚀、第三方施工破坏、自然灾害破坏、材料/焊接/装备问题其中一个发生即可导致燃气管线泄漏。因此燃气管线泄漏可能性表示为

2.1.2 燃气扩散聚集可能性Pgather

相关文献表明，一般城市中压燃气管网土壤扩散距离在2.5~12.5 m范围内，因此可基于待评估的燃气管线与对应排水管线的最短距离l来表征燃气扩散聚集概率，即Pgather=f（D），其取值范围在（0，1]。

2.1.3 点火可能性Pfire

燃气扩散进入排水管线中发生聚集，此时如果被点燃，就可能发生燃爆事故。点火概率与人员活动密集程度具有强相关性，一般人员活动密集区域，点火概率相对增大，反之则减小。因此可基于待评估管道对应局部人口密度ρ来表征点火可能性Pfire=f（ρ），分值区间在[1，10]。

由于泄漏气体扩散至排水管线聚集燃爆为链式发展，因此对于排水管网燃气聚集燃爆事件发生概率P应表示为

2.2 后果评估

2.2.1 安全埋深对排水管线燃爆影响

文献[7]指出，对于一定直径排水管线，当其埋设较深时，即使燃爆也不会对路面上方造成影响。设置修正因子φ，当管道埋深H小于安全埋深Hsafe，φ取1，否则φ取0.01。Hsafe与排水管线管径（或当量直径）D相关，即

排水管线燃爆损伤主要包括超压影响、振动影响、破片影响三类。其中超压的作用对象为人员及建筑物，破片的作用对象为人员，振动的主要作用对象为地下管线。

2.2.2 排水管线燃爆人员伤亡后果Cpeople

排水管线燃爆超压影响范围与排水管道截面积及燃爆管线长度相关（表征燃爆TNT当量），即导致人员伤亡的最小超压对应影响范围可表示为Sspp=fspp（D，l）。排水管线破片影响范围与排水管线截面积、燃爆管线长度及排水管线上方覆盖介质厚度D1（表征覆盖介质截面积）相关，即导致人员伤亡的破片影响范围可表示为Sfp=ffp（D，D1，l）。

明显的，在其他参数一致情况下，被评估排水管线越长导致的人员伤亡越多，为修正此影响，定义排水管线燃爆超压影响后果如下式所示：

基于相关突发事件标准获取单位长度待评估排水管线伤亡人数对应分值标准，使Cpeople取值在[1，10]范围内。

2.2.3 排水管线燃爆建筑物损毁后果Cbuilding

同样的，导致建筑物损毁的最小超压对应影响范围可表示为Sspb=fspb（D，l），基于影响范围获取其中危险源防护目标数量n1作为代表性建筑物。

基于ρbuilding在待评估城市总体分布情况，制定Cbuilding取值规则，使其取值在[1，10]范围内。

2.2.4 排水管线燃爆振动导致地下管线损毁后果Cpipe

排水管线燃爆振动影响范围与排水管道截面积及燃爆管线长度相关，即导致地下管网破损的最小振动对应影响范围可表示为Svp=fvp（D，l）。基于影响范围获取其中地下管线数量n2。

基于ρpipe在待评估城市总体分布情况，制定Cpipe取值规则，使其取值在[1，10]范围内。

2.2.5 排水管线燃爆社会影响Csocietalimpact

Csocietalimpact指爆炸导致的社会性恐慌，当爆炸发生在敏感时间（如两会、重要赛事、重要展（博）览会等期间）、敏感地点（如涉政、涉外场所、医疗机构等）、敏感人群（如老弱病残等）时，排水管网燃爆事件后果将被放大。设置修正因子τ（τ≥1），用来表征这种风险增量。

因此爆炸后果C可表示为

当τ取1时，C取值在（0，10]。因此规定当C≥10时，取10。

城市排水管网燃气聚集燃爆风险评估框架如图2所示。

图2 城市排水管网燃气聚集燃爆风险评估框架

2.3 风险评估

当燃气管道周边对应多条排水管道时，与周边所有排水管道耦合灾害风险评估值为经过上述计算后得到的若干个耦合风险值中的最大值，并叠加数量修正。

R=max（Ri）×1.1i-1， （8）当R大于100时，取100。根据风险值从大至小依次划分为重大风险、较大风险、一般风险、低风险4个等级（表1），分别用红、橙、黄、蓝4种颜色进行表示，并确定各级风险阈值。

表1 风险等级划分标准

3 排水管网燃气聚集燃爆风险评估的数据流转

数据是风险评估的基础，基于城市排水管网燃气聚集燃爆风险评估框架运行所需数据内容，形成排水管网燃气聚集燃爆风险评估数据流转如图3所示。一般排水管网燃气聚集燃爆风险评估数据分布在燃气行业部门及住建局、气象局、应急局等各部门，在信息化实现时，需对相关数据及互联网数据汇聚、分析、清洗、融合，结合城市燃气风险治理与管控业务需求，细化分析规则和模型，来实现风险值计算与展示。

图3 城市排水管网燃气聚集燃爆风险数据流转

4 结论

本文基于城市排水管网燃气聚集燃爆事故，归纳了该类事故发生发展的一般规律，在此基础上形成了包括事故发生可能性及后果的评估框架。其中事故发生可能性包括燃气泄漏可能性、燃气扩散聚集概率、点火可能性等部分，事故后果包括排水管道燃爆安全埋深后果修正因子、人员伤亡后果、建筑物损毁后果、地下管线损毁后果、社会影响修正因子等部分。对各部分评估逻辑及涉及因素进行了归纳，并分析了评估模型在信息化实现时各因素对应数据流转逻辑。相关内容有助于相关部门对城市排水管网燃气聚集燃爆事故进行防控，同时对地下空间燃爆风险相关研究提供有益帮助。